Aika

Question: Mikä on ajna käsite fysiikassa?


Aika on olemassaolon ja tapahtumien jatkuvaa ilmeisesti peruuttamatonta etenemistä menneisyydestä tulevaisuuteen nykyhetken kautta.[1] Aika on fysiikan perussuure, jonka yksikkö on sekunti[2][3].
Ajan yksiköt
Ajan perusyksikkö on SI-järjestelmän mukaisesti sekunti.[2] Sen lisäyksiköitä ovat minuutti (60 sekuntia) ja tunti (60 minuuttia). Muita perusyksikön kerrannaisia ovat vuorokausi (24 tuntia) ja viikko (7 vuorokautta). Maan kiertoliikkeeseen auringon ympäri perustuva yksikkö on vuosi (noin 365,25 vuorokautta), joka jakautuu kahteentoista, kestoltaan vaihtelevaan kuukauteen.
Sekunti jaetaan edelleen pienempiin aikayksikköihin, kuten millisekunteihin (1/1000 sekuntia). Lyhyin mahdollinen aikayksikkö on Planckin aika, noin 10−43 sekuntia.[4]
Ajan yksiköiden historiaa
Vuosi, Kuun vaiheisiin perustuva kuukausi sekä vuorokausi on tunnettu aikayksikköinä jo kauan. Muut aikayksiköt perustuvat sopimukseen. Eri kulttuureissa on ollut omat viikkonsa, joiden pituus vaihteli viidestä kymmeneen päivään.[5] Babylonialaiset jakoivat vuorokauden 12 osaan mutta egyptiläiset ja kiinalaiset jakoivat 12 osaan vain päivän. Kun egyptiläiset ryhtyivät pitämään aikaa myös yöllä, heidän vuorokauteensa tuli yhteensä 24 tuntia, minkä tavan myös babylonialaiset ottivat käyttöön. Tunnit olivat tuolloin vielä eripituisia päivän valoisan ajan pituudesta riippuen. Vakiomittaisiin tunteihin siirryttiin vasta 1300–1400-luvuilla. Minuutteja ja sekunteja opittiin mittaamaan kelloilla 1600-luvulla. Niitä oli käytetty jo paljon aikaisemmin tähtitieteessä, mihin niiden kantaluku 60 oli otettu babylonialaisilta. Sekuntia lyhyemmistä ajoista alettiin käyttää sekunnin desimaaliosia.[6]
Aika fysiikassa
Fysiikassa perussuure aika (, tunnus t) määritellään tapahtumien välisenä etäisyytenä aika-avaruuden neljännellä akselilla. Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian mukaan aikaa ei voi esittää muuten kuin aika-avaruuden osana. Tapahtumien välinen etäisyys riippuu tapahtumia tarkkailevien havainnoitsijoiden suhteellisesta nopeudesta tapahtumaan nähden. Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria muutti ajan määritelmää vielä enemmän esittämällä kaareutuneen aika-avaruuden käsitteen. Eristetyssä järjestelmässä ajan kuluessa eteenpäin entropia eli haje aina kasvaa, joten hajeen kasvusta voidaan päätellä ajan suunta. Normaalisti syy-seuraussuhteen mukaisesti syy on myös aina ennen seurausta.
Ajan voi käsittää myös nopeudeksi, jolla eri ilmiöt tapahtuvat. Esimerkiksi suuressa painovoimakentässä aika kuluu suhteellisuusteorian mukaan hitaammin kuin pienessä painovoimakentässä, mikä näkyy esimerkiksi kemiallisten reaktioiden ja kellojen käynnin hidastumisena. Ihmiset eivät kuitenkaan voi itse huomata ajan kulumisessa tapahtuvia muutoksia lähiympäristössään, sillä aivot ja havainnot toimivat samalla aikaan sidotulla nopeudella.
Ajanlasku


Ajanlasku tarkoittaa pitkien ajanjaksojen määrittämistä kalentereilla.[7]
Ihminen on jo esihistoriallisina aikoina osannut tunnistaa vuoden pisimmän ja lyhimmän päivän, ja niiden merkitsemiseksi on pystyttänyt suuria monumentteja, jotka osoittavat auringonnousun sijainnin tai auringonvalon suunnan avulla tarkan päivämäärän.[8]
Muinaiset kansat ovat jakaneet vuoden 365 päivää eri tavoin kuukausiin. Kuukalenteri on ollut helppo ja yleinen tapa ryhmitellä päivät samanmittaisiin jaksoihin jo ennen kuin vuoden pituus tunnettiin. Kuukalenterin kuukaudet ja auringon mukaan lasketut vuodet voidaan yhdistää 19 vuoden mittaisella niin sanotulla Metonin jaksolla, jossa on lähes tasan 235 kuukautta. Muinaisessa Egyptissä vuotta jaksotti useimmille ihmisille Niilin säännöllinen tulviminen, mutta papisto kehitti myös 12 kuukauden ja 30 vuorokauden kalenterin, johon lisättiin viisi ylimääräistä juhlapäivää.[9] Omat kalenterinsa ovat olleet esimerkiksi muslimeilla, juutalaisilla, mesoamerikkalaisilla ja kiinalaisilla. Islamilaista kuukalenteria käytetään yhä monessa islamilaisessa maassa.[10]
Rooman hallitsija Julius Caesar laaditutti aiempaa kalenteria tarkemman juliaanisen kalenterin vuonna 46 eaa. Siitä kehitettiin vuonna 1582 vielä tarkempi gregoriaaninen kalenteri, joka on nykyisinkin laajalti käytössä.[11]
Maailmassa käytettiin paikallisaikoja vielä gregoriaanisen kalenterin käyttöönoton jälkeenkin, sillä ennen nopeaa viestintää oman kylän aika riitti ihmisille. Kun ajan yhdenmukaistaminen alettiin 1800-luvulla vihdoin nähdä välttämättömänä, maailma jaettiin aikavyöhykkeisiin, joiden sisällä aika oli aina sama. Kesäaika otettiin useissa maissa käyttöön 1900-luvun aikana. Vuonna 1972 otettiin käyttöön virallisesti koordinoitu yleisaika (UTC), jossa otetaan huomioon myös maapallon epätasainen pyörimisliike.[12]
Ajan mittaaminen

Ajan mittaaminen tarkoittaa lyhyiden aikojen mittaamista erilaisilla kelloilla ja elektronisilla ajanottajilla.[7] Kellon kolme perustekijää ovat virtalähde, näytön laskinjärjestelmä sekä käynninsäätelijä, joka yhdistää kaksi muuta osaa.[13] Kellonaika annetaan tunteina, minuutteina ja sekunteina vuorokauden vaihtumisesta. Tunnit voidaan laskea yhdessä 24 tunnin jaksossa tai kahdessa 12 tunnin jaksossa.
Varhaisia kelloja ovat esimerkiksi aurinkokello, vesikello, tiimalasi ja kynttiläkello. Aurinkokello näyttää ajan Auringon luomasta varjosta silloin kun Aurinko paistaa. Vesikellossa vesi valuu astian reiästä ulos tietyssä ajassa, tiimalasissa hiekka. Kynttiläkellossa ajan kulumisen näkee palavan kynttilän korkeudesta.[14]
Mekaaninen kello keksittiin 1200- tai 1300-luvulla. Varhaisissa mekaanisissa kelloissa virranlähteenä käytettiin putoavia painoja. Euroopan katedraaleihin sijoitettiin keskiajalta alkaen valtavia tornikelloja. 1500-luvulla kehitetyssä taskukellossa käynninsäätiminä olivat lipottimet. Galileo Galilei oivalsi 1580-luvulla, että heilurista saataisiin mekaaniseen kelloon hyvä käynninsäädin. Ensimmäisen heilurikellon suunnitteli ja rakennutti Galileon työn pohjalta vuonna 1657 Christiaan Huygens. Hänen jälkeensä kellojen mekanismin tekniikkaa kehitettiin edelleen, ja kelloista tuli tarkempia ja pienempiä. Itsensä vetävä automaattikello keksittiin vuonna 1770.[15]
Englantilainen John Harrison kehitti 1700-luvulla laivakronometrin. Se pystyi pitämään hyvin tarkkaa aikaa myös merillä, mikä teki merenkululle tärkeän pituusasteen määrittämisen mahdolliseksi.[16]
Sähkökello keksittiin 1800-luvulla. Sähkökello kääntää vaihtovirran taajuuden sekunneiksi, minkä ansiosta kaikki kellot samassa virtapiirissä näyttivät saman ajan. 1900-luvulla on kehitetty entistä tarkemmat kvartsikello ja atomikello.[17]
Käsityksiä ajan olemuksesta
Filosofien ja tieteilijöiden aikakäsitykset

Ajan olemuksesta, eli "Mitä aika on?", on väitelty jo antiikin Kreikan ajoista lähtien, ja filosofit ovat esittäneet siitä keskenään vastakkaisia käsityksiä. Kiistelyä on herättänyt se, onko aikaa olemassa ihmisten kellojen ulkopuolellakin vai onko se puhtaasti ihmisen luoma käsite, ja siitä, onko aika liikettä ja muutosta vai peräkkäisten hetkien sarja.[18]

Kreikkalaisen filosofi Parmenidesin mukaan (n. 450 eaa.) aika ja liike olivat harhaa. Hänen oppilaansa Zenon Elealainen kehitti väitteiden todistamiseksi kaksi kuuluisaa paradoksia, ”Akhilleus ja kilpikonna” ja ”lentävän nuolen paradoksi”. Pari sukupolvea myöhemmin elänyt Platon uskoi, että aika oli luotu yhdessä maailmankaikkeuden kanssa ja oli olemassa itsenäisesti. Hän piti aikaa tyhjänä säiliönä, joka voitiin täyttää siinä liikkuvilla asioilla ja tapahtumilla. Hänen oppilaansa Aristoteleen mukaan aikaa ei kuitenkaan ole olemassa tapahtumista riippumatta, vaan aika on muutosta ja liikettä. Aristoteles päätteli, että aika ei koostu peräkkäisistä jakamattomista ”nyt”-hetkistä, kuten Zenon nuoliparadoksinsa kautta oli pyrkinyt sanomaan. Aristoteleen mukaan nyt-hetkien sarjaa ei ole olemassa, koska sellaiset hetket eivät ole voineet kadota oman kestonsa aikana tai seuraavassa nyt-hetkessä.[19]
Kirkkoisä Augustinus pohti 300-luvun lopulla teoksessaan Tunnustukset paljon ajan olemusta sekä menneisyyden ja tulevaisuuden paradokseja.[20]
Tiedemies Isaac Newton (1642–1726) tarvitsi aikaa yhtälöidensä muuttujaksi ja ryhtyi pohtimaan aikaa tieteellisesti. Newton kannatti Platonin ajatusta ajan itsenäisyydestä. Hän jakoi ajan absoluuttiseen (matemaattiseen) aikaan ja suhteelliseen (tavalliseen) aikaan. Absoluuttinen aika eli kesto on todellista ja matemaattista, ja se virtaa tasaisesti ilman suhdetta mihinkään ulkpuoliseen. Suhteellinen aika on näennäistä ja on liikkeen avulla aistein havaittava ulkoinen keston mittari, joka voi olla tarkka tai epätarkka.[21]
Gottfried Leibniz (1646–1716) oli Aristoteleen kannalla ja ajatteli, että ilman tapahtumia ja muutosta ei olisi aikaa. Filosofi Immanuel Kantin mukaan aika on perusintuitio, jonka avulla me ymmärrämme aistien kokemuksen. Filosofi J. M. E. McTaggartin (1866–1925) mukaan aikaa ei ole olemassa. Hän jakoi ajalliset suhteet "suoraan A-sarjaan" ja "epäsuorasti järjestettyyn B-sarjaan", ja koska A-sarja on itsessään ristiriitainen, ajan täytyy olla epätodellista.[22]
Psykologi William Jamesin (1842–1910) mukaan ihminen tuntee kokemuksen virrassa noin 12 sekuntia kestävän ”näennäisen nykyhetken”.[23] Filosofi René Descartes taas piti aikaa välittömien nykyhetkien sarjana.[24]
Teoreettinen fyysikko Lee Smolin kirjoitti vuonna 2010, että kvanttipainovoiman tutkimus vahvistaa, että neliulotteisessa aika-avaruudessa on järkeä vain, jos aika on todellista, perusluonteinen ja jopa ainoa suoraan kokemamme todellisuuden aspekti.[25]
Kulttuurien aikakäsitykset
Eri kulttuurien aikakäsitykset eli tavat käsittää aika, menneisyys ja tulevaisuus voidaan jakaa karkeasti pistemäiseen, sykliseen ja lineaariseen aikakäsitykseen. Primitiivisessä pistemäisessä aikakäsityksessä aikaa ei tajuta jatkuvana, vaan jokainen hetki on oma kokonaisuutensa. Syklinen aikakäsitys vallitsi lähes kaikissa varhaisissa korkeakulttuureissa. Siinä katsotaan, että aika kiertää kehää, ja kaikki tapahtumat toistuvat pitkissä, tuhansien vuosien aikasykleissä, jotka päättyvät katastrofiin. Lineaarinen aikakäsitys muodostui Mesopotamiassa, ja se selkeytyi juutalaisilla ja kristityillä, joiden kautta se siirtyi koko länsimaiseen ajatteluun. Siinä ajalla on tietty alku ja mahdollisesti myös loppu. Nykyajan yleisen käsityksen mukaan maailma syntyi tiettynä ajankohtana, kuten alkuräjähdyksessä. Erään teorian mukaan maailma myös palaa alkupisteeseensä ja loppuu miljardien vuosien kuluttua.[26]
Ajan kokeminen
Ihmisellä ei tiettävästi ole aikaa suoranaisesti havaitsevaa aistia. Ihmisen ajantajussa on kyse kognitiivisesta prosessista – keskittymisestä ja muihin tapahtumiin vertaamisesta.[27]
Kokeissa on havaittu, että ihmisen tietoisuus laahaa puoli sekuntia ulkomaailman tapahtumien jäljessä (niin sanottu ”Libetin puolen sekunnin viive”). Tajunta kuitenkin ikään kuin ajastetaan takaisin tosiaikaiseksi, niin että henkilö uskoo kokeneensa aistimuksen yhtä aikaa sen aiheuttaneen ärsykkeen kuten kosketuksen kanssa.[28]
Psykologi William Jamesin mukaan ihminen aistii ajan ”sekä alun että lopun sisältävänä kokonaisuutena”. Silmillään ihminen ei havaitse eroa kahden kuvan välillä silloin kun ne näkyvät tiheämmin kuin 1/60 sekunnin välein. Kuuloaistillaan ihminen erottaa 1/500 sekunnin välein toistuvat äänet. Ihmisen kuuloaisti pystyy käyttämään hiukan eri aikoina korviin saapuneiden äänten aikaväliä äänen suunnan arvioimiseksi.[29]
Ihminen kokee ajan kulkevan hitaammin ikävystyttävässä tilanteessa kuin silloin kun on jotain tekemistä. Tämä ilmiö on vahvistettu myös kokeiden avulla. Jälkikäteen tällaisiin tilanteisiin pätee kuitenkin usein päinvastainen: toiminnantäyteisestä ajanjaksosta on jäänyt muistoja, ja se tuntuukin nyt pidemmältä kuin ikävystyttävä ajanjakso, jolta ei ole jäänyt muistoja. Vanhoista ihmisistä aika tuntuu usein kuluvan nopeammin kuin nuoremmista, mikä voi liittyä siihen, että nuori ihminen saa vanhaa enemmän uusia kokemuksia, jotka jäävät muistoina mieleen.[30]
Psyykeen vaikuttavat aineet muuttavat usein ajan kokemusta. Piristeet voivat saada käyttäjän yliarvioimaan kuluneen ajan pituuden, mutta depressantit kuten alkoholi tuntuvat lyhentävän aikaa. Psykedeelit voivat sotkea ajantajun täysin, ja aika voi jopa tuntua kulkevan taaksepäin.[31]
Ihminen, joka on ollut vähällä kuolla, voi nähdä elämänsä kulkevan silmiensä editse pikakelauksella muutaman sekunnin aikana. Hätätilanteissa kuten pudotessa aika sen sijaan voi hidastua, ja ihminen voi nähdä tapahtumien etenevän kuin hidastettuna kuvasarjana. Testitilanteessa on kuitenkin havaittu, että ihminen ei pudotessaan kykene näkemään nopeammin vaihtuvia kuvia kuin tavallisestikaan. Ajan hidastumisen kokemus syntyy ilmeisesti siitä, että aivojen mantelitumake tallentaa hätätilanteessa muistikuvat eräänlaiseen apumuistiin, johon ne kiinnittyvät tavallista lujemmin.[32]
Ajantajun kehitys lapsella
Lapsen ajantaju kehittyy vaiheittain. Puolitoistavuotiaana useimmat lapset näyttävät elävän vain nykyisyydessä, ja aluksi lapsi oppiikin lähinnä vain nykyhetkeen liittyviä sanoja. Vähitellen tulevaisuuteen liittyvät lauseet lisääntyvät, mutta menneisyyteen liittyvät lisääntyvät hitaammin. Sittenkin kun pieni lapsi on jo alkanut tajuta ajallisia tapahtumaketjuja, aika jää riippuvaiseksi hänen omista toimistaan. Oppiessaan kieltä lapsi oppii myös aikaan liittyviä abstrakteja käsitteitä, mikä mahdollistaa ajallisten suhteiden tajun kehittymisen. Muistin kehittyminen mahdollistaa sen, että lapsi alkaa oivaltaa, että asiat eivät ole suhteessa vain toisiinsa vaan myös lapseen itseensä. Noin kahdeksan vuoden iässä lapselle muodostuu käsitys yhdestä yhteisestä ajasta, jossa kaikki asiat tapahtuvat. Lapsen älykkyyden kehitysnopeudesta riippuu, milloin hän alkaa pitää aikaa abstraktina, todellisista kelloista riippumattomana käsitteenä; kymmenvuotiaista lapsista näin tekee joka neljäs. Lapsen ollessa 13–14 vuoden ikäinen hän jo useimmiten tajuaa, että kellon ilmaisema aika on pelkästään sopimuksenvarainen. Joidenkin ei-länsimaisten kulttuurien lasten ajantajun kehittymisen on havaittu olevan erilainen kuin länsimaisten; joissain sellaisissa kulttuureissa, joissa ajalla ei ole yhtä suurta merkitystä kuin länsimaissa, kuten Afrikassa tai Australiassa, lapset eivät opi arvioimaan ajan pituutta tai lukemaan kelloa yhtä hyvin kuin länsimaiden lapset.[33]
Ajan merkitys ihmiselle
Aika on noussut hallitsevaan asemaan modernissa yhteiskunnassa. Ajan mittaamisen kehitys ja rannekellojen yleisyys ovat tehneet ihmisistä jatkuvasti tietoisia tarkasta ajasta, ja aikataulut ohjaavat ihmisten elämää ja yhteiskunnan toimintaa. Entisinä aikoina ihmiset ajattelivat vähemmän ajan kulumista eivätkä olleet tietoisia tarkasta ajasta. Maatalouden tarpeisiin riitti taivaan tarkkailu, ja vuorokausirytmin määräsivät Auringon nousu ja lasku.[34]
Katso myös
Aikajärjestelmä
Aikamatkustus
ISO 8601
Lähteet
Citation error, replace with{{cite book| author = Hart-Davis, Adam| title = Aika: Suuren mysteerin jäljillä| location = Helsinki| publisher = Gummerus| year = 2012| version = (The book of time: Everything you need to know about the biggest idea in the universe, 2011.) Suomentaneet Mervi Ovaska ja Sinikka Jauhiainen| id = ISBN 978-951-20-8892-8}}

Citation error, replace with{{cite book| author = Whitrow, G. J.| title = Ajan historia: Ajankäsitykset esihistoriasta meidän päiviimme| location = Helsinki| publisher = Art House| year = 1999| version = (Time in history: The evolution of our general awareness of time, 1988.) Suomentanut Anto Leikola| id = ISBN 951-884-234-5}}
Viitteet

Kirjallisuutta

Citation error, replace with{{cite book| author = Pihlström, Sami & Siitonen, Arto & Vilkko, Risto (toim.)| title = Aika| location = Helsinki| publisher = Gaudeamus| year = 2000| id = ISBN 951-662-812-5}}
Aiheesta muualla



 entry  in the Stanford Encyclopedia of Philosophy
 entry  in the Stanford Encyclopedia of Philosophy
. (in Finnish)
Slavov, Matias: Ovatko mentaalinen ja fysikaalinen aika sovitettavissa yhteen? Tieteessä Tapahtuu, 36(2).
Tukiainen, Arto: . niin & näin 4/1999, 48–53.


Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit